INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc TEMA 10 LA CONTAMINACIÓN DE LAS AGUAS: AGUAS RESIDUALES 10.1.- CONTAMINACIÓN. TIPOS 10.2.- AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS 10.2.1.- Gérmenes patógenos 10.2.2.- Materia orgánica 10.2.3.- Sólidos 10.2.4.- Nitrógeno 10.2.5.- Detergentes 10.3.- AGUAS RESIDUALES PECUARIAS 10.4.- CONTAMINACIÓN DE ORIGEN AGRARIO 10.5.- AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES 10.5.1.- Metales pesados 10.6.- AGUAS DE ESCORRENTÍA URBANA 10.7.- AGUAS RESIDUALES URBANAS 10.7.1.- Componentes de las A.R.U. 10.7.2.- Cargas de contaminación en las A.R.U. 10.7.3.- Habitante equivalente 10.1.- CONTAMINACIÓN. TIPOS La contaminación de las aguas naturales puede ser considerada como una impurificación artificial, ya directa o indirecta, producida por el hombre o sus actividades. Así, es normal estudiar la contaminación atendiendo a las causas o actividades que la originaron. Se habla de: - Aguas residuales domésticas. - Aguas residuales pecuarias. - Contaminación de origen agrícola. - Aguas residuales industriales. - Aguas de escorrentía urbana. - Aguas residuales urbanas. Se puede hablar también de aguas contaminadas en función del tipo de "impureza" concreta que aparece en valores anormales y que es consecuencia de alguna actividad humana. Se habla de contaminación por mercurio, contaminación por cadmio, etc. 10.2.- AGUAS RESIDUALES DOMÉSTICAS Son las aguas generadas en las viviendas o en instalaciones comerciales, públicas y similares. Están compuestas por aguas fecales y aguas de lavado y limpieza. Los principales contaminantes que van a contener son gérmenes patógenos, materia orgánica, sólidos, detergentes, nitrógeno y fósforo, además de otros en menor proporción. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P1 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb 10.2.1.- GÉRMENES PATÓGENOS Desde un punto de vista de ingeniería sanitaria, interesa controlar los gérmenes patógenos de origen fecal que se vierten con el agua residual. De todos los microorganismos entéricos, una parte podrían ser patógenos porque entre los usuarios del agua podría haber personas o animales enfermos. Sin embargo, la medida directa de los gérmenes patógenos de un agua es impracticable, debido al gran número de especies o familias que puede haber. Sería necesario realizar una amplia batería de análisis, lo cual resultaría poco práctico y caro. Tabla.- Agentes infecciosos potencialmente presentes en las aguas residuales urbanas Microorganismo Enfermedad causada Bacterias Escherichia coli (enterotoxígeno) Leptospira (spp.) Salmonella typhi Salmonella (2,100 serotipos) Shigella (4 spp.) Clostridium tetani Vibrio cholerae Gastroenteritis Leptospirosis Fiebre tifoidea Salmonelosis Shigellosis (disentería bacilar) Tétanos Cólera Protozoos Balantidium coli Cryptosporidium parvum Entamoeba histolytica Giardia lamblia Balantidiasis Cryptosporidiasis Amebiasis (disentería amoébica) Giardiasis Helmintos Ascaris lumbricoides T. solium (la solitaria) Trichuris trichiura Ascariasis Teniasis Tricuriasis Virus Virus entéricos (72 tipos; por ej.: virus echo y coxsackie, poliovirus) Hepatitis A Agente de Norwalk Rotavirus Gastroenteritis, anomalías del corazón, meningitis, poliomielitis. Hepatitis de tipo infeccioso Gastroenteritis Gastroenteritis Fuente: Modificada de US-EPA (1999) La técnica que se emplea es una medida indirecta. Son técnicas presuntivas. Lo que se busca en el agua son microorganismos indicadores de contaminación. Estos microorganismos deben ser fecales exclusivamente, aunque no necesariamente deben ser patógenos, y no deben poder desarrollarse en los ambientes naturales. La presencia del indicador nos dice que hay contaminación fecal, y por lo tanto, que existe la posibilidad de que haya gérmenes patógenos. Como indicadores de contaminación fecal se usan gérmenes fáciles de detectar, de medir, y que aparezcan en grandes cantidades. Además, estos gérmenes deben tener en el medio natural un comportamiento similar o de evolución más favorable que el de los patógenos. La tendencia general de los gérmenes entéricos en el medio natural es a desaparecer, ya que su ambiente idóneo es el intestino. T10/P2 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc En calidad de aguas se utilizan sobre todo tres tipos de indicadores: y Coliformes: Grupo de bacterias con forma de bastoncillo (bacilo). También aparecen en el medio de forma natural. Por tanto, se tiene Coliformes totales, y para tener un indicador entérico, el grupo de los Coliformes fecales, CF. Como con cualquier otro tipo de bacterias para detectarlas en laboratorio, se realizan siembras en medios nutritivos específicos para estimular su reproducción, y al cabo de un determinado tiempo se cuenta el número de colonias formadas (técnica del filtro de membrana) o se observa la producción de gas consecuencia del proceso de fermentación de la lactosa (técnica de tubos múltiples). La ausencia de Coliformes entonces se tiene la seguridad de que no hay contaminación de origen fecal. Los resultados de los análisis se pueden expresar como: “ufc/100 mL” (“unidades formando colonias” o simplemente colonias) cuando se emplea la técnica de filtro de membrana, o en “NMP/100 mL” (“Número Más Probable”) cuando la técnica de tubos múltiples es la utilizada. El NMP puede obtenerse mediante la aplicación de criterios estadísticos, según la fórmula de distribución de Poisson: 1 1 e a n1 p1 e n1 q1 1 e n2 p2 e n2 q2 1 e n3 p3 e n3 q3 donde: y = probabilidad de ocurrencia de un resultado determinado a = constante asociada a las condiciones del ensayo. ni = tamaño de la muestra en cada dilución, mL = densidad de Coliformes, número/mL pi = número de tubos positivos en cada dilución de la muestra qi = número de tubos negativos en cada dilución de la muestra La aplicación de la ecuación de Poisson genera las llamadas Tablas del NMP. Otra opción consiste en usar la ecuación de Thomas: NMP / 100 mL Número de tubos positivos 100 mL de muestra en mL de muestra en los tubos negativos todos los tubos De los Coliformes fecales el más específico es el Escherichia coli, que se encuentra en elevadas concentraciones en el intestino del hombre y de los animales de sangre caliente, y no se desarrolla en el medio natural. Los Coliformes fecales se comportan de forma similar a los patógenos entéricos. Es el indicador biológico más ampliamente utilizado. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P3 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb Figura.- Resultados de ensayos de CF (izda.) y EF (dcha.) mediante técnica de filtro de membrana Estreptococos fecales (EF): Son microorganismos estrictamente fecales, lo que les convierte en un indicador bastante claro. Proceden de animales de sangre caliente. Se ha demostrado que las aguas que tienen un mayor número de Coliformes fecales que de Estreptococos fecales tienen mayor probabilidad de ser de origen humano. Si la relación CF/EF es del orden de 4 es prácticamente seguro que la contaminación es de origen humano. Si es menor de 0.6 es seguro que es de origen animal. La contaminación por Estreptococos fecales acompaña y correlaciona bien con enfermedades relacionadas con las mucosas, y por contacto en general. En las normas actuales de calidad de aguas (consumo humano, baño, etc.), se emplea los Enterococos intestinales como indicador de contaminación fecal. Son bacterias anaerobias facultativas y pueden encontrarse aisladas, en parejas o en cadenas cortas. Se han aislado en las heces de animales de sangre caliente. Este grupo se separó del resto de los estreptococos fecales porque son índices relativamente específicos de contaminación fecal. Sin embargo, ocasionalmente, algunos enterococos intestinales aislados del agua pueden también proceder de otros hábitats, como el suelo, en ausencia de contaminación fecal. La concentración de enterococos intestinales en las heces humanas es, generalmente, alrededor de un orden de magnitud menor que la de E. coli. Este grupo presenta importantes ventajas: tienden a sobrevivir durante más tiempo que la E. coli (o que los coliformes termotolerantes) en medios acuáticos, y son más resistentes a la desecación y a la cloración. Los enterococos se pueden detectar mediante medios de cultivo sencillos y baratos para los que únicamente se necesitan laboratorios de bacteriología básicos. Uno de los métodos utilizados comúnmente es la filtración con membranas, incubación de las membranas en medios selectivos a entre 35 y 37 ºC durante 48 h y posterior recuento de las colonias. T10/P4 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc Clostridium sulfito-reductores: Es un grupo asociado a los Clostridium spp, género de bacterias anaerobias que en situaciones difíciles producen esporas, lo que les permite resistir durante largo tiempo en ambientes hostiles. Es un indicador de contaminación lejana o remota, ya que los demás microorganismos fecales podrían haber desaparecido. Sus esporas sobreviven en el agua mucho más tiempo que los organismos del grupo Coliforme y son resistentes a la desinfección, al punto que pueden ser detectados en algunas muestras de agua después de haber recibido predesinfección, floculación, sedimentación, filtración y la desinfección final. 10.2.2.- MATERIA ORGÁNICA (MO) Se considera materia orgánica a aquellos compuestos que contienen Carbono, C, Oxígeno, O, e Hidrógeno, H; combinado con Nitrógeno, N, Fósforo, P, o Azufre, S. En las diferentes cadenas tróficas de la naturaleza la podemos encontrar viva o muerta, en forma de residuos. La primera es aprovechada por los depredadores y la segunda por los saprófagos (detritívoros, recicladores). La materia orgánica transportada por un agua residual puede constituir la base de una cadena trófica. Hay tres tipos fundamentales de materia orgánica presentes en las aguas residuales domésticas, que tienen importancia en los procesos de depuración: Compuestos nitrogenados (CHONS): cuya composición es carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno y ocasionalmente azufre. Los principales compuestos de este grupo son las proteínas, que son moléculas muy complejas, los aminoácidos, que son los bloques que constituyen las proteínas, cuyo peso molecular es elevado, y la urea, que es la forma en que se eliminan fundamentalmente los compuestos nitrogenados del metabolismo. Generalmente están presentes en forma coloidal. En estos compuestos el nitrógeno se libera como amoníaco en la oxidación. Están presentes en el agua residual doméstica en porcentajes que van desde un 40 a un 60 por ciento. Carbohidratos (CHO): están compuestos por carbono, hidrógeno y oxígeno. Los ejemplos más comunes son los azúcares, como la glucosa C6H12O6, el almidón y la celulosa. Representan entre un 25% y un 50% de la materia orgánica presente en el ARD. Suelen estar en forma disuelta. Aceites y grasas (CHO): en su composición intervienen carbono, hidrógeno y un poco de oxígeno. Representan un 10% de la MO de las aguas residuales domésticas. Son poco solubles en agua por hidrófobas, y solubles en disolventes orgánicos. Se van a concentrar en las interfases. Su biodegradación es muy lenta. Los ácidos grasos se pueden alcalinizar dando lugar a jabones. La medida directa de los diferentes compuestos en los que puede presentarse la materia orgánica es poco práctico. Sí suele realizarse la medida directa de las grasas. Los métodos que se utilizan corrientemente cuantifican la materia orgánica de forma I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P5 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb indirecta. Estos métodos se basan en la oxidación de la MO, midiendo la cantidad de oxidante consumido o de subproductos de la oxidación. Las técnicas de medida se basan en diferentes formas de conseguir la oxidación. Se utiliza oxidación térmica, química y bioquímica. Métodos basados en la oxidación térmica: Consisten fundamentalmente en proporcionar oxígeno y subir la temperatura hasta que se desprende CO2 y H2O. Se puede medir el O2 consumido o el CO2 producido. MO CHO O2 Calor CO 2 H2O Re siduos Las técnicas más utilizadas son la determinación de: COT, o Carbón Orgánico Total, que mide la producción de CO2, debido a la oxidación de la materia orgánica a alta temperatura (900 ºC) en presencia de un catalizador y se mide en un analizador infrarrojo. La medida se expresa como mg C/L en el agua. Puede ocurrir que existan carbonatos en el agua y que en la oxidación pasen a CO2; deben ser eliminados previamente. DTO, o Demanda Total de Oxígeno, que mide el O2 consumido en oxidar térmicamente la MO del agua. La expresión de medida es como mg O2/L. Métodos basados en la oxidación química: En estos métodos es necesario utilizar un reactivo químico con un alto poder oxidante. Será el reactivo quien proporcione el oxígeno: MOCHO Oxidantequímico CO2 H2O Residuosoxidante,otros Podrá medirse la cantidad de reactivo consumido y por lo tanto la cantidad de oxígeno consumido. Las técnicas más utilizadas son la determinación de: DQO, o Demanda Química de Oxígeno, en la que se usa como reactivo oxidante el dicromato potásico (Cr2O7K2). Se multiplica la cantidad de dicromato gastada por el factor adecuado, el equivalente de oxígeno, y se obtienen los mg O2/L de DQO. En el ensayo son necesarios un catalizador y una temperatura adecuada (150 ºC). Este parámetro expresa la cantidad de materia orgánica oxidable, pero, además, también la presencia de otras sustancias +2 reductoras, como Fe , es decir, materia inorgánica oxidable. Las aguas no contaminadas tienen valores de DQO de 1 a 5 ppm, o algo superiores. Las aguas residuales domésticas suelen contener entre 250 y 1000 ppm. En las aguas residuales industriales la concentración depende del proceso de fabricación de que se trate. MO, "Materia orgánica" u Oxidabilidad al Permanganato (MnO4K). Este tipo de ensayo se realiza con aguas naturales sin mucha materia orgánica. T10/P6 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc Oxidación bioquímica: La oxidación en vez de ser realizada térmica o químicamente se realiza mediante microorganismos. Los microorganismos procesan la MO y producen CO2 y H2O. El proceso es de características bioquímicas. La técnica más utilizada es la determinación de la DBO: DBO: Demanda Bioquímica de Oxígeno. Se mide el O2 consumido por microorganismos para oxidar la materia orgánica, mg O 2/L. Por lo tanto, la DBO es una forma indirecta de medir la materia orgánica. Es comparable con la DQO y la DTO, pero se diferencia en que en este tipo de análisis lo que se mide es la materia orgánica susceptible de degradarse biológicamente (materia biodegradable). No se mide la MO no biodegradable ni los microorganismos que se oxiden. En general se refiere al oxígeno consumido en 5 días (DBO5). Las aguas subterráneas suelen tener menos de 1 ppm. Un contenido superior es indicativo de contaminación. En las aguas superficiales el contenido es muy variable. En aguas residuales domésticas es de 100 a 300 ppm. Ensayo de la DBO: La prueba de la DBO mide el oxígeno utilizado por las bacterias mientras oxidan la materia orgánica a 20 ºC. El método normalizado de ensayo consiste en que la muestra de agua residual se diluye convenientemente con agua de dilución (agua destilada con una concentración a saturación de OD y, en su caso, inoculada con una población mixta apropiada de microorganismos), se mide en la muestra diluida la concentración inicial de OD, se la incuba a 20 ºC y, después de un tiempo prefijado, se mide de nuevo el OD. La disminución en la concentración de OD se deberá a su consumo por los microorganismos para metabolizar la MO de ese volumen de muestra diluida. Con este resultado se calcula la cantidad de oxígeno requerido por un volumen no diluido de muestra. Otro método consiste en medir la respiración de los microorganismos mediante el control de la caída de presión parcial de oxígeno en la atmósfera de aire limitada, controlada y disponible para la actividad bacteriana, se conoce como método manométrico o respirométrico. Su principal ventaja radica en que se lleva acabo sin diluir la muestra, es decir sin alterarla significativamente. No I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P7 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb obstante, a pesar de su amplia aceptación y uso, no es un método normalizado. Fig. Ensayo respirométrico de DBO La oxidación biológica es lenta y normalmente no se completa en 5 días de incubación. Solo compuestos simples, p.ej. glucosa, se oxidan casi totalmente en cinco días. En un agua residual doméstica, en 5 días, sólo se oxida un 65 % de la MO presente. Los compuestos orgánicos complejos pueden oxidarse en un 40 % en el mismo período. Cuando la degradación aerobia de la MO de un agua es tan completa como se pueda obtener, el oxígeno así consumido es la DBO total o última (DBOu). La DBOu comprende la oxidación completa de la materia orgánica. Esta oxidación se puede plantear, teóricamente, como dos reacciones en serie. Primero, la materia orgánica del agua residual (detritus) se transforma en células y CO2 (la fracción transformada en CO2 es la verdaderamente oxidada), esta reacción es la que puede tomar 5 días. En una segunda reacción, cuando la materia orgánica del agua residual (detritus) se ha agotado, las células (materia orgánica viva) en presencia de oxígeno se oxidan también a CO2. Entonces, se habrá producido la oxidación bioquímica total (DBOu) de la materia orgánica inicialmente presente en la muestra de agua residual. Si se representa a las células bacterianas por C5H7O2N, las reacciones serían: Reacción 1: CaHbOcNd + e O2 f C5H7O2N + g CO2 + h H2O + … Reacción 2: C5H7O2N + i O2 j CO2 + k H2O + l NH3… Siendo CaHbOcNd una representación química de la materia orgánica del agua residual. La suma de las (e + i) moles de O2 consumido representan la DBOu Cinética de la DBO: Por convención, se ha adoptado que la DBO es una reacción de orden 1, en la cual la velocidad de reacción es proporcional a la concentración de DBO presente. Es decir, una vez formada una población adecuada de microorganismos, la velocidad de reacción es controlada por la cantidad de alimento disponible: T10/P8 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc dL KL dt en donde: L = concentración de DBO presente. t = tiempo K = constante cinética de orden 1 del proceso Factores que afectan al ensayo y normalización del mismo: - Temperatura: Condiciona la actividad biológica. A bajas temperaturas el metabolismo de los microorganismos es más lento y, por lo tanto, también lo es el oxígeno consumido por unidad de tiempo. La temperatura de incubación normalizada es de 20 ºC. - Luz: La luz tiene influencia si en el agua que se ensaya existen micro-algas. Las algas pueden producir OD y falsear las medidas de referencia que se tomaron. El ensayo debe realizarse en total oscuridad. - Dilución: La dilución del agua problema con agua destilada es importante, ya que el OD disponible puede llegar a agotarse antes de oxidar toda la materia orgánica, o desaparecer antes de cinco días. Para la dilución se utiliza agua destilada, I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P9 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb con OD a saturación (8-10 ppm). La dilución se debe calcular para que sobre oxígeno disuelto al final del ensayo, pero no se debe diluir tanto que el consumo de OD apenas se aprecie. - Microorganismos: Es necesario que en la muestra a ensayar existan los microorganismos capaces de metabolizar las sustancias orgánicas presentes. Si no, es necesario realizar una siembra o inoculación. En aguas residuales domésticas no suele ser necesario realizar siembras. - Nutrientes: Las sustancias presentes en la prueba deben ofrecer un balance nutricional razonable. Se deben aplicar los criterios del substrato limitante o del mínimo. En el ensayo sólo debe ser limitante la presencia de MO. A menudo el nitrógeno o el fósforo no aparecen en las proporciones mínimas necesarias. En estos casos es necesario añadir uno u otro, o los dos, para que la metabolización se realice con normalidad. Las proporciones necesarias son: N DBO5 20 P DBO5 100 Las aguas residuales domésticas cumplen estas proporciones habitualmente. Las aguas industriales suelen presentar problemas en este aspecto. - Nitrificación: Además del oxígeno necesario para estabilizar la materia carbonosa, también se presenta una considerable demanda de oxígeno durante la nitrificación de los compuestos nitrogenados. El nitrógeno presente en el agua residual se encuentra en forma de nitrógeno orgánico y amoniacal. Aunque puede haber pequeñas cantidades de nitrógeno oxidado. La forma de la curva de la DBO se va a ver modificada por esta nueva demanda. Si se trata de agua residual doméstica bruta, este efecto sólo es importante luego que han transcurrido de 8 a 10 días, ya que la velocidad de T10/P10 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome TEMA10-rev021109-ajb.doc INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL crecimiento de las bacterias nitrificantes es lenta. Sin embargo, en caso de efluentes tratados, el efecto de la nitrificación puede aparecer en uno o dos días debido a la presencia de grandes cantidades de bacterias nitrificantes en el efluente. Durante la nitrificación se producen las siguientes etapas: Nitrosomon as 2NH 3 3O2 2NO 2 2H 2H2O Nitrobacte r 2NO 2 O2 2H 2NO 3 2H Las especies Nitrosomonas convierten el nitrógeno amoniacal en nitritos, y las Nitrobacter los nitritos a nitratos. Ambos son microorganismos autotrofos. Si no se quiere que la demanda de oxígeno ejercida por la nitrificación perturbe el ensayo de la DBO5 carbonosa, se recurre a la inhibición de los microorganismos nitrificantes. Otros productos químicos que reaccionan con el oxígeno, como los sulfitos, sulfuros y el hierro ferroso, si están presentes en la muestra, alterarán los resultados de la prueba de DBO. Ejercen demanda de oxígeno, pero no es una demanda biológica. La prueba de DBO es útil siempre que se consideren sus limitaciones. No se debe olvidar que el valor de la DBO procede de un amplio rango de sustancias cuyo comportamiento depende de las condiciones de la prueba y de los microorganismos que se utilicen. La DBO y la DQO han sido los ensayos más utilizados tradicionalmente. Normalmente, la DQO es bastante mayor que la DBO. Hay compuestos orgánicos que no son biodegradables. En aguas residuales domésticas casi toda la materia orgánica suele ser biodegradable. Un agua con una relación DQO/DBO de 5 es fundamentalmente de origen industrial. Si la relación DQO/DBO es de 1.5 a 2 se dice que es un agua biodegradable (p.ej.: agua residual doméstica). I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P11 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb Si en un agua residual el contenido de materia orgánica es todo biodegradable, y no hay presencia de sustancias inorgánicas oxidables, entonces la DQO es igual a la DBOu. De forma aproximada, este sería el caso de las aguas residuales domésticas, pero teniendo en cuenta que en el ensayo de la DBO debería inhibirse la oxidación del amonio, porque sino la DBOu resultaría mayor que la DQO. 10.2.3.- SÓLIDOS La medición de los sólidos que transporta un agua es una de las formas de medir su contaminación. Los Sólidos Totales (ST) que contiene un agua es uno de los parámetros físicos más importantes para caracterizar las aguas. Los ST son equivalentes al residuo seco que se producía cuando se evaporaba un agua natural o potable a una temperatura de 105 ºC. El residuo seco se expresaba en mg/L. En aguas naturales los ST suelen ser, por tanto, sales disueltas. Clasificación e intervalo de tamaños de partículas presentes en el agua SALES DISUELTAS SUSPENSIONES COLOIDES Sedimentables Algas Bacterias Virus En aguas residuales es común hablar de Sólidos Totales (ST). Los sólidos suelen estar presentes en tres formas: sales o sólidos disueltos (SD), coloides y como sólidos en suspensión (SS). Para diferenciar estas formas, y si son sólidos orgánicos o inorgánicos, se siguen diferentes técnicas: T10/P12 Evaporación: Al evaporar se obtienen los ST o el residuo seco. En las aguas residuales la evaporación debe realizarse entre 103 y 105 ºC. Quedan en el recipiente todos los tipos de sólidos. Filtrando: Se hace pasar el agua por un filtro de fibra de vidrio, normalmente de poro 1 m (rango: entre 0.45 y 1.2 m). Se pesa en seco lo que ha retenido en el filtro, estos son los SS (no filtrables), y se expresa en mg/L. A la fracción de los sólidos que ha atravesado el filtro se la denomina Sólidos Disueltos (SD) de forma genérica. Sedimentando: El ensayo normalizado de sedimentación consiste en la introducción del agua bruta en un recipiente en forma de cono (cono Imhoff) y dejarla en reposo durante 1 hora. En este tiempo sedimentará, y se acumulará en el fondo del cono, una parte de los Sólidos en Suspensión a la que se denomina Sólidos en Suspensión Sedimentables (SSs). Se expresarán en ml/L. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc Calcinando: La calcinación de los sólidos de un agua se consigue elevando la temperatura a unos 550 ºC. Con este proceso se consigue volatilizar la materia orgánica. Tendremos dos fracciones diferenciadas: los Sólidos Fijos (SF) (material inorgánico) y los Sólidos Volátiles (SV) (material orgánico). Este proceso se puede aplicar a cualquier fracción de sólidos, es decir se puede tener: STF, SSV, SDF, etc. Una forma indirecta de estimar la concentración de sólidos en suspensión de un agua es medir su Turbidez, ya que ambos parámetros tienen relación directa. 10.2.4.- NITRÓGENO Y FÓSFORO En las aguas residuales domésticas el nitrógeno se encuentra principalmente en forma amoniacal (disuelta) y orgánica (disuelta y en suspensión). El N-Orgánico estará incorporado en la materia orgánica y en los microorganismos. El agua residual doméstica puede contener hasta 50-60 mg/L de N-amoniacal, en forma de ion amonio. Para que esté presente NH3 (tóxico para la vida acuática) en concentración significativa es necesario valores elevados de pH, en torno a 9. El pH de las aguas residuales domésticas suele estar entre 6 y 7.5. La suma de nitrógeno orgánico y amoniacal se conoce como Nitrógeno Total Kjeldahl (NTK). La presencia de nitrógeno oxidado (nitritos y nitratos) en el ARD es casi siempre nula, y cuando se da es debido a la composición del agua de abastecimiento. También, en la red de alcantarillado se pueden dar transformaciones que produzcan cambios en la distribución de las formas de nitrógeno. Por ejemplo, un aporte de oxígeno por infiltración de aguas limpias o de lluvia puede dar lugar a procesos de nitrificación en los colectores. La suma NTK más nitrógeno oxidado da el contenido de Nitrógeno Total (NT) de un agua. El contenido de fósforo en las ARD se reparte en fracción orgánica e inorgánica. La fracción orgánica, unida a materia orgánica y células, puede estar en forma disuelta o en suspensión. Las formas inorgánicas, en general ortofosfatos, PO4-3, son solubles. La concentración de fósforo total en ARD suele rondar los 6 mg/L. El vertido de nutrientes, N y P, con las aguas residuales puede provocar la eutrofización de masas de agua con baja renovación como embalses, lagos o rías. Esta es una de las razones que hace necesario su control. 10.2.5.- DETERGENTES Los detergentes son sustancias tensoactivas sintéticas, que producen espuma en el agua. Los primeros detergentes que se fabricaron fueron los BAS (Sulfonato Alquilo Benceno), de cadenas ramificadas. Este tipo de detergentes al no ser biodegradables, supusieron un grave problema de contaminación. En los ríos las espumas se mantenían durante mucho tiempo. Posteriormente, se utilizaron los denominados LAS (Sulfonato Alquilo Lineal), que con una estructura orgánica diferente, lineal, ya eran asimilables por los microorganismos y, por lo tanto, biodegradables. Otro problema ambiental ocasionado por los detergentes se debe al fósforo que contienen como aditivo. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P13 TEMA10-rev021109-ajb INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL La concentración de los detergentes se expresa en mg/L de lauril sulfato. El nombre del parámetro varía, así se puede denominar: Detergentes, Sustancias activas al azul de metileno (MBAS por sus siglas en inglés de Metyl Blue Active Substances), o Agentes tensoactivos (éstos a su vez pueden ser catiónicos o aniónicos, y no iónicos). La composición de las aguas residuales domésticas o urbanas está ampliamente estudiada y documentada. La clasificación presentada por Metcalf & Eddy (1995) es ya un clásico de la literatura sobre aguas residuales de este tipo (tabla siguiente). Composición típica de agua residual doméstica bruta (Metcalf-Eddy, 1985) CONCENTRACIÓN FUERTE MODERADA DÉBIL CONSTITUYENTE 1200 SÓLIDOS TOTALES 850 Disueltos (SD) 525 SD fijos (SDF) 325 SD volátiles (SDV) 350 En Suspensión (SS) 75 SS fijos SSF 275 SS volátiles SSV 20 SÓLIDOS SEDIMENTABLES (ml/L) 400 DBO5 290 COT 1000 DQO 85 NITRÓGENO (total como N) 35 Orgánico 50 Amoniaco libre 0 Nitritos 0 Nitratos 15 FÓSFORO (total como P) 5 Orgánico 10 Inorgánico 100 CLORUROS 200 ALCALINIDAD (como CO3Ca) 150 ACEITES Y GRASAS (todas la unidades en mg/L menos los Sólidos Sedimentables) 720 500 300 200 220 55 165 350 250 145 105 100 20 80 10 220 160 500 40 15 25 0 0 8 3 5 50 100 100 5 110 80 250 20 8 12 0 0 4 1 3 30 50 50 10.3.- AGUAS RESIDUALES PECUARIAS Aguas residuales pecuarias son las que proceden de la actividad ganadera. Si la actividad se desarrolla de forma intensiva, en estabulación, se generan normalmente vertidos directos a los cauces. Son vertidos localizados, constantes y concentrados. Si la actividad es de forma no estabulada, el ganado deambula libre, la contaminación de los cauces es de tipo difuso. Cuando la contaminación es difusa el transporte de la misma está asociado a los fenómenos hidrológicos (escorrentía superficial, subsuperficial, etc.) y su control es difícil. En algunas regiones es común el uso del estiércol como abono natural, de forma que los compuestos de las aguas residuales de los establos pasan a ser contaminantes difusos en la cuenca. Lo normal en una cuenca es que tenga tanto vertidos localizados como difusos de contaminación ganadera. Las aguas residuales pecuarias son, en principio, de características similares a las aguas residuales domésticas ya que proceden de animales de sangre caliente. Como indicadores de contaminación bacteriológica se utilizan los mismos que para los humanos y ya se vio en apartados anteriores que una relación entre Coliformes fecales y estreptococos fecales menor o igual que 0,4 - 0,6 (varía según la especie) indicaba que la contaminación bacteriológica era de origen animal. T10/P14 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc El volumen de agua que transporta a los residuos fecales de los animales es menor que en el caso de las aguas residuales domésticas. Esto determina que las concentraciones que nos encontremos de materia orgánica (MO) o de sólidos en suspensión (SS) sean muy altas. Las elevadas concentraciones condicionan los sistemas de conducción y transporte, asi como el tratamiento de las aguas residuales pecuarias. El contenido de detergentes es variable en estas aguas, dependiendo de los sistemas de limpieza utilizados. Un problema especial puede suponer la existencia de gran cantidad de flotantes en el caso del ganado herbívoro. Habrá que disponer los sistemas adecuados para no tener obstrucciones al flujo en los sistemas de evacuación y tratamiento. Otro problema singular es la incorporación a las aguas residuales de las camas de los animales. Se suelen utilizar diferentes términos para describir la consistencia de estos vertidos: sólidos, semisólidos (lisier) y líquidos (purines). El lisier es habitualmente de las granjas de cerdos. La cantidad de heces que elimina cada animal y sus características específicas depende de muchas variables: especie, raza, edad, estación climática, alimentación, etc. En condiciones normales de explotación se aceptan cifras como las que se presentan en la tabla siguiente: Cargas contaminantes de los residuos de animales * (Fuente: Organic Waste Recycling, Polpresert, CH.; adaptada de Lohani y Rejagonal) ANIMAL Ganado bovino Vacas Pollos Gallinas Cabras y ovejas Pavos Patos Caballos PESO MEDIO DEL ANIMAL (Kilos) 363 590 ------6.8 1.6 --- RESIDUOS TOTALES (Kg/cab.día) 18 - 27 44 0.050 0.059 7 0.41 --37 DBO5 (Kg/cab.día) 0.45 - 0.68 0.91 0.0044** 0.0044** 0.160 0.023 0.005 - 0.029 0.0360 * Las cargas se refieren a residuos totales, incluyendo heces y orina. ** Las unidades de DBO5 están en libra/libra de ave/día. 10.4.- CONTAMINACIÓN DE ORIGEN AGRÍCOLA El origen de la contaminación agrícola está en el arrastre, por las aguas de lluvia y las de riego, de productos usados en la agricultura. El agua residual se incorpora a las fases del ciclo hidrológico (escorrentía superficial, subsuperficial, subterránea, etc.) llevando consigo los contaminantes. Los acuíferos, ríos y embalses serán las masas de agua receptoras que sufrirán los problemas de este tipo de contaminación. Las actividades agrícolas pueden generar dos tipos muy diferentes de contaminación en función de si los compuestos son utilizados como abono o lo son como pesticidas. Por el uso de abonos la contaminación de origen agrario se caracteriza por contener compuestos: I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome Orgánicos: Proceden de la aplicación al terreno de abonos, fertilizantes o acondicionadores: compost (procedente de los residuos sólidos urbanos), estiércol, fangos de estación depuradora T10/P15 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb de aguas residuales urbanas (E.D.A.R.U.). Los contaminantes que los acompañan son variados (materia orgánica, gérmenes patógenos, nitrógeno, fósforo), pero los principales y de más interés son el nitrógeno y el fósforo. Inorgánicos: Proceden de la incorporación al terreno de fertilizantes (N, P, K, etc.). De nuevo se consideran contaminantes principales nitrógeno y fósforo. Ciertos elementos y compuestos limitan el crecimiento de las algas, pero los de mayor importancia son el N y el P, que habitualmente se presentan como nutrientes limitantes. La presencia en abundancia, y en proporciones mínimas, puede aumentar la productividad de las algas y desequilibrar la cadena trófica. Por el uso de pesticidas (insecticidas, rodenticidas, plaguicidas, herbicidas, fungicida.) la contaminación de origen agrario se caracteriza por contener compuestos: Órgano - clorados: DDT, aldrín, ... Órgano - fosforados: Malatión, ... Órgano - metálicos El uso de este tipo de compuestos permite aumentar la producción agrícola, pero tiene efectos muy negativos en las cadenas tróficas y son muy persistentes en el medio natural. Algunos, como el DDT, son bioacumulables. La tendencia es la búsqueda de nuevos compuestos alternativos. 10.5.- AGUAS RESIDUALES INDUSTRIALES Las aguas residuales industriales proceden de la variada actividad industrial. Aparecen tantos tipos de aguas industriales como tipos de industrias. Dentro de cada industria, el agua de abastecimiento, que luego se transformará en una gran proporción en agua residual, se utiliza fundamentalmente como: Aguas de proceso Aguas de limpieza Aguas asimilables a domésticas Aguas de refrigeración y calefacción Cada una de estas aguas van a generar las correspondientes aguas residuales, que reciben los mismos nombres. A éstas hay que añadir las aguas de escorrentía superficial que se producen en la zona industrial, que pueden llegar a incorporar gran cantidad de materiales (p.e. arrastres en los parques de almacenamiento de carbón). Cada uno de los tipos de aguas residuales citadas va a incorporar una contaminación diferente. De forma general se puede decir que las aguas residuales industriales se caracterizan por su variedad y por su variabilidad. Alta variedad porque cada tipo de industria va a constituir un caso especial. Incluso dentro de cada sector, es tal la variedad de procesos, que es casi imposible tratar de hacer una caracterización por sectores. Estudiando caso a caso se va adquiriendo experiencia en el análisis y en el desarrollo de estrategias para mitigar la generación, y conseguir tratamientos eficaces, de cada tipo de agua residual industrial. T10/P16 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc Alta variabilidad porque en cada industria podemos encontrar técnicas de producción diferentes que utilizan volúmenes y caudales de agua diferentes (vertidos de baños agotados, limpieza de circuitos de refrigeración, vaciado de circuitos de lavado), así como concentraciones de productos muy diferentes. En cada proceso industrial los vertidos de agua residual pueden ser continuos o periódicos (una vez al día, una a la semana, una al mes, anuales, etc.). El control de la contaminación por aguas residuales industriales es muy difícil. Si estos vertidos se realizan a redes de alcantarillado municipales los problemas pueden llegar a ser muy graves. Para poder atacar de forma correcta la contaminación por aguas residuales industriales hay que conocer el tipo de industria, sus procesos y sus costumbres. Los contaminantes de cada tipo de actividad industrial se pueden conocer revisando la bibliografía. Hay manuales especializados para cada tipo de industria. Se puede hacer una pequeña revisión de los principales contaminantes que aparecen en este tipo de aguas. Materia orgánica: En aguas industriales es normal que la MO aparezca en forma disuelta en mayores proporciones (80%) que en las ARD ( 20% - 40%). Las concentraciones de MO suelen ser muy elevadas, oscilando entre 1.000 y 100.000 mg/L de DBO5 (en ARD los valores oscilan entre 100 y 400 mg/L). Por el contrario, el N y el P se presentan, proporcionalmente con la MO, en menor cantidad que en la aguas domésticas. Este hecho va a condicionar los posibles tratamientos biológicos de las ARI. Además, es bastante normal que la MO existente sea no biodegradable. Si la relación de DQO/DBO5 es mayor que 2.5 es muy posible que aparezcan problemas con los tratamientos biológicos. Si además las aguas residuales incorporan sustancias tóxicas la DBO5 es muy posible que se anule o sea muy baja con lo que de nuevo tendremos problemas con los tratamientos biológicos tradicionales. Tienen vertidos fundamentalmente orgánicos las papeleras, azucareras, mataderos, fábricas de curtidos, de conservas, lecherías y sus subproductos, fábricas de alcoholes, levaduras, de aceites, de bebidas, lavanderías, etc. Temperatura: Un agua residual doméstica suele tener del orden de 2 ºC por encima del agua de abastecimiento. Si las ARI proceden de una central térmica, por ejemplo, la temperatura va a ser muy elevada. En general los problemas de temperatura proceden de aguas residuales de refrigeración. La industria alimentaria también suele tener aguas residuales de proceso calientes. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome Productos químicos inorgánicos. En las ARI se puede encontrar tóxicos, como metales pesados (Hg, Cd, Cr, Ni, Cu, Pb) procedentes en general de la industria metalúrgica o cianuros (CN-). Algunos de los citados son tóxicos bioacumulables. T10/P17 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb Ácidos y bases también aparecen con frecuencia en los vertidos industriales, en mayor proporción en la industria química. También es normal la aparición de vertidos con elevadas concentraciones de sales, que pueden proceder de calderas o sistemas de refrigeración. Aceites e hidrocarburos proceden en general de la maquinaria y de los talleres. La contaminación radiactiva también puede aparecer como consecuencia de problemas graves en la explotación de las centrales nucleares o la industria nuclear en general. Tienen vertidos con elevada carga inorgánica la industria de limpieza y recubrimiento de metales, las explotaciones mineras y salinas, las químicas, etc. En las refinerías y petroquímicas, coquerías y fábricas de textiles las aguas residuales incorporan tanto materia orgánica como inorgánica en elevadas concentraciones. Lavaderos de carbón y mineral, instalaciones de corte y pulido de mármoles, e instalaciones de laminación en caliente y colada continua, aportan en sus aguas residuales una gran cantidad de sólidos en suspensión. 10.5.1.- METALES PESADOS Los metales pesados son sustancias necesarias para los ecosistemas en pequeñas cantidades, son micronutrientes, pero si superan una determinada cantidad (acumulación) o una determinada concentración (toxicidad) los efectos resultan perjudiciales. Los elementos metálicos son utilizados por la industria en grandes cantidades y para una variada gama de aplicaciones (catalizadores, pinturas, detergentes, materiales de construcción, aditivos, pesticidas,…). Una parte de la cantidad utilizada acaba teniendo como destino final el medio natural; si esta incorporación es en forma iónica entonces la capacidad de migración, y por tanto de contaminación, a través del medio es mayor. Actividades que generan metales pesados: Minería: As, Cu, Cd, Pb, Mn, Hg. Tratamiento de superficies: Cd, Cr, Cu, Ag, Zn. Industria en general: B, Cd, Cu, Fe, Pb, Mn, Hg, Mo, Zn, Ni. Aguas residuales urbanas: Cu, B, Al, Fe, Pb, Zn,Ni. Metales como el cadmio (Cd), el cobre (Cu) ó el plomo (Pb) en su forma iónica, soluble, forman complejos estables con otras sustancias que impiden el transporte a través de las paredes de la célula. Una vez en el medio acuático los iones metálicos se pueden encontrar en forma libre ó formando complejos, ya sea con elementos inorgánicos (Cl-, OH-, CN-,…) u orgánicos. Los metales pueden incorporarse a los sedimentos ya sea al precipitar o por quedar adsorbidos por ellos. T10/P18 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome TEMA10-rev021109-ajb.doc INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL A continuación se comenta brevemente la evolución y problemática del mercurio, el plomo y el cadmio en los sistemas acuáticos: Mercurio: El mercurio entra en el medio a través de diversas actividades del hombre: como catalizador en la industria cloro-álcali, como pigmento de pinturas, en la fabricación del papel, como elemento activo en pilas y baterías, en amalgamas dentales, en algunos pesticidas, etc. El mercurio generalmente está en el medio en forma iónica libre, pero en presencia de determinadas bacterias, ya sea en ambiente aerobio o anaerobio, se puede generar dimetilmercurio. Una característica de este ion es que es transferido rápidamente a los organismos vivos, acumulándose en los animales superiores a través de la cadena trófica. Cadmio: Se utiliza en la industria de la galvanotecnia, como aditivo de plásticos y pigmentos, sí como en baterías y en equipos electrónicos. Su toxicidad es elevada. Plomo: Se utiliza en baterías, como material de construcción, como aditivo de pinturas y cerámicas, como catalizador, etc. Una vía de acceso del plomo al medio acuático es por precipitación desde la atmósfera. En este caso la fuente es la combustión de carburantes, que incorporan plomo como antidetonante. 10.6.- AGUAS DE ESCORRENTÍA URBANA Se entiende por aguas de escorrentía urbana aquellas que proceden de las precipitaciones de nieve o lluvia sobre una cuenca urbana. Son aportaciones de carácter intermitente. Los caudales en un área urbanizada suelen ser del orden de 50 a 200 veces superiores en volumen a los de vertidos domésticos, comerciales e industriales. La superficie de una ciudad que recibe la lluvia es de dos tipos: impermeable y permeable. Las que predominan son las impermeables de edificios, pavimentos, calzadas, aceras, azoteas, etc.; mientras que las superficies permeables las constituyen los jardines, algunos patios interiores, solares sin edificar, etc. El alto porcentaje de superficies impermeables es una característica de las zonas urbanas. Es erróneo pensar que las aguas de escorrentía son esencialmente limpias. De la lluvia caída, una fracción se emplea en mojar las superficies; otra se evapora y otra queda atrapada en huecos y depresiones del suelo. Si sigue lloviendo, el agua se moviliza hacia los puntos de recogida, drenando por superficies impermeables, y a su vez, limpiando y transportando en suspensión y disolución, los contaminantes acumulados sobre el suelo. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P19 Sólidos en suspensión (mg/L) 600 1.5 500 1.25 400 1 300 0.75 200 0.5 100 0.25 0 Caudal (m3/s) INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb 0 0:00 1:12 2:24 3:36 4:48 6:00 7:12 8:24 9:36 Hora del día (29/03/98) Sólidos en suspensión (mg/L) Caudal (m3/s) 600 1.40 500 1.20 1.0 400 .80 300 .60 200 Q; Zn,Pb Sólidos en suspensión (mg/L) Figura.- Contaminación de un suceso de rebose de alcantarillado unitario en la ciudad de Santiago de Compostela (Cagiao, et al., 1998) .40 100 .20 0 .0 0:00 1:12 2:24 3:36 4:48 6:00 Hora del día (29/3/98) [SS] mg/l Q (m3/s) Zn (mg/L) Pb (mg/L) Figura.- Contaminación de un suceso de rebose de alcantarillado unitario en la ciudad de Santiago de Compostela (Cagiao, et al., 1998) La contaminación difusa urbana se caracteriza por: ser aportada al medio acuático receptor en vertidos intermitentes ligados a un fenómeno de naturaleza aleatoria: la lluvia; estar constituida por contaminantes procedentes de áreas extensas; ser un tipo de contaminación muy difícil de medir en origen; estar íntimamente ligada al tipo de actividad que soporta el suelo. Características de la contaminación de aguas de escorrentía (rangos y valores medios) PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN SS (mg/L) DEMANDA BIOQUÍMICA DE OXÍGENO - DBO (mg/L) DEMANDA QUÍMICA DE OXÍGENO - DQO (mg/L) NITRÓGENO AMONIACAL (NH4-N) (mg/L) NITRÓGENO TOTAL (mg/L) FÓSFORO TOTAL (mg/L) T10/P20 ALEMANIA Varios autores [1] ALEMANIA Varios autores [1] ONTARIO MARSALEK [2] ZONA RESIDENCIAL AUTOPISTAS USO MIXTO DEL SUELO 134 140 - 250 ---- 7 - 18 ---- ----- 47 - 115 86 - 119 ---- 0.8 0.5 - 0.9 0.5 ---- ---- ---- ---- ---- 0.28 GRAN BRETAÑA ELLIS (1989) [3] USO MIXTO DEL SUELO USA - NURP (1983) [4] NOVOTNY (1994) [5] METCALFEDDY (1991) [6] ELLIS (1986) [7] 21 - 2582 (190) 7 - 22 (11) 20 - 365 (85) (0.2 - 4.6) 1.45 0.4 - 20.0 (3.2) 0.02 - 4.30 (0.34) 100 *(1.0 - 2.0) 9 *(0.5 - 1.0) 65 *(0.5 - 1.0) ---- 3 - 11000 (650) 10 - 250 (30) ---- 67 - 101 3 - 11000 8 - 10 60 - 200 40 - 73 ---- ---- ---- ---- 1.5 *(0.5 - 1.0) 0.33 *(0.5 - 1.0) 3 - 10 ---- 3 - 10 0.2 - 1.7 (0.6) 0.67 - 1.66 0.2 - 1.7 USO MIXTO DEL SUELO I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc PLOMO (mg/L) ZINC (mg/L) ACEITES (mg/L) COLIFORMES TOTALES 0.27 0.16 - 0.62 0.146 ---- 0.36 - 0.62 0.490 ---- 2.0 - 7.0 3.3 ---- ---- ---- 0.01 - 3.1 (0.21) 0.01 - 3.68 (0.30) 0.09 - 2.8 (0.40) ---- 0.14 *(0.5 - 1.0) 0.16 *(0.5 - 1.0) ---- 0.03 - 3.1 (0.3) ---- ---- ---- ---- 0.27 - 0.33 0.4 0.135 0.226 ---- ---- 103 - 108 103 - 108 ---- ---- ---- (UFC/100 ml) ---COLIFORMES FECALES ---- ---2100 (E. Coli) (UFC/100 ml) ---- 400 - 5.105 (6430) Los valores entre paréntesis representan valores medios excepto los de [4], que representan coeficientes de variación. [1] ALEMANIA, VARIAS FUENTES: Goettle (1978), paulsen (1984), Klein (1982), Grottker (1987), Durchschlag (1987), Grottker (1989), citados por MARSALEK, J. et al (1993), "Urban drainage systems: desing and operation", Wat. Sci. Tech., Vol. 27, Nº 12, pp 31-70. [2] MARSALEK, J.; SCHROETER, H.O.; (1989), "Annual loadings of toxic contaminants in urban runoff from the Canadian Great Lakes Basin", J. Water Poll. Res. Canada 23, pp 360-378. [3] ELLIS, J.B. (1989), "Urban Discharges and Receiving Water Quality Impacts (Adv. Wat. Poll. Control Nº 7), Pergamon Press, Oxford [4] NURP, (1983), "Final Report of the Nationwide Urban Runoff Program, vol. 1, Water Planning Division, US-EPA, Washington D.C., USA. [5] NOVOTNY, V.; OLEM,,H. (1994), "Water quality: prevention, identification and management of diffuse pollution",Van Nostrand Reinhold, ISBN 0 -44200559-8. [6] METCALF & EDDY, (1991), "Wastewater Engineering. Treatment, Disposal. Reuse"; Tercera Edición; McGraw- Hill International Editions, Civil Engineering Series. ISBN 0-07-100824-1. [7] ELLIS, J.B. (1986), "Pollutional aspects of urban runoff", in Urban Runoff Pollution, Torno, H., J. Marsalek, y M. Desbordes, Eds., NATO ASI Series, Series G: Ecological Sciences, Vol 10, Springer- Verlag, Berlín. 10.7.- AGUAS RESIDUALES URBANAS (ARU) Se entiende por aguas residuales urbanas aquellas que circulan por las redes de alcantarillado de los núcleos urbanos y que son el resultado de la mezcla de las aguas residuales domésticas (ARD), de aguas residuales industriales (ARI); de aguas de infiltración y, en función del tipo de red de alcantarillado, de aguas de escorrentía superficial urbana. 10.7.1.- COMPONENTES DE LAS ARU Las redes de alcantarillado pueden ser unitarias o separativas. Cuando la red es unitaria todos los tipos de aguas anteriormente citados circulan por los mismos conductos. Si la red es separativa es necesario que exista una red que reciba todas las aguas de escorrentía urbana, aguas pluviales. A la red de alcantarillado llega del orden del 80 % de las aguas del abastecimiento . Las aguas residuales industriales que aparecen en los sistemas de alcantarillado urbano suelen proceder de industria, de mediano y pequeño tamaño, que se encuentra dentro de los cascos urbanos. Cuando existen polígonos industriales, o la industria es muy grande, se suele disponer de redes especiales para sus aguas, que normalmente son tratadas en estaciones de tratamiento de aguas residuales industriales (E.T.A.R.I.). Aguas de infiltración son aquellas que proceden del subsuelo y penetran en la red de alcantarillado a través de las juntas, tuberías defectuosas, conexiones y paredes de pozos de registro. La presencia de agua con un nivel freático elevado produce infiltraciones en las alcantarillas, y un aumento de la cantidad de las aguas residuales. La calidad de los materiales de la red y el grado de mantenimiento son también factores que determinan la importancia de las infiltraciones. La infiltración puede 3 oscilar entre 0.01 y 1.0 m /d.mm.km, e incluso más. El número de milímetroskilómetros de una red es la suma de los productos de los diámetros de las alcantarillas, expresados en milímetros, por las longitudes expresadas en kilómetros, de las alcantarillas correspondientes a esos diámetros. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P21 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb Hay que diferenciar dos tipos de fenómenos de contaminación asociados con las aguas pluviales o de tormenta: el agua de escorrentía contaminada que llega directamente o a través de las redes de alcantarillado separativas a las masas de agua receptoras, y un segundo tipo, el vertido por rebosamiento, o rebose, de alcantarillados unitarios, RAU, (CSO en la literatura anglosajona) con aguas que son mezcla de aguas pluviales y aguas residuales domésticas. En estas últimas redes hay que tener muy en cuenta el fenómeno de resuspensión de los sedimentos existentes, resultado de la sedimentación de partículas y contaminación, permitida por el régimen hidráulico existente durante el período seco. La punta de caudal de aguas residuales también puede llegar a la depuradora y, si supera su capacidad de tratamiento, también produce un rebose en tal punto. Estos tipos de descargas se diferencian tanto en los volúmenes vertidos, en las concentraciones de contaminantes, como en las fases y períodos de descarga. A las redes de alcantarillado unitario puede ocurrir que también se viertan lixiviados de vertederos de residuos sólidos urbanos (RSU). 10.7.2.- CARGAS DE CONTAMINACIÓN EN LAS ARU Al igual que se realiza en la estimación de los caudales de abastecimiento de una población, en vez de hacer un cálculo para cada tipo de consumo se estima una dotación global de abastecimiento por persona y día, se utiliza una dotación de carga contaminante. Las unidades de estas dotaciones son gramos por habitante y día (g/h·d) de cada contaminante. En aguas residuales urbanas, sin una gran incidencia de la industria, se pueden adoptar las siguientes dotaciones de contaminación, expresadas en g/h/d: RED SEPARATIVA DBO5 50 60 75 Zona residencial Núcleo de población Núcleo de población RED UNITARIA SS 50 75 90 A lo largo del día, al igual que lo hacen los caudales, las concentraciones de contaminantes de un agua residual urbana varían. Siguen una forma similar a la que describe la variación de caudales, con puntas casi simultáneas. Son habituales coeficientes puntas de valor 1.5 en las concentraciones de DBO5. C O EFIC IENTES DE VARIAC IÓ N DE C AUDALES SO BRE EL Q m e dio DURANTE UN DÍA 1.8 1.6 COEFICIENTES 1.4 1.2 1.0 M e rue lo 0.8 0.6 0.4 0.2 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 9 10 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.0 HORA DEL DÍA T10/P22 I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb.doc C O EFIC IENTES DE VARIAC IÓ N DE LA C O NC ENTRAC IÓ N DE DBO SO BRE LA DBO m e dia DURANTE UN DÍA 1.8 1.6 COEFICIENTE 1.4 1.2 1.0 VIVERO S 0.8 M ERUELO 0.6 0.4 0.2 23 22 21 20 19 18 17 16 15 14 13 12 11 9 10 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0.0 HORAS DEL DÍA En las gráficas anteriores se presentan los coeficientes de variación del caudal (Qi/Qm) y de las concentraciones de DBO5 que llegan a dos depuradoras. La referida como Meruelo es la generada por un pueblo de Cantabria, de nombre San Miguel de Meruelo, de 438 habitantes. La referida como Viveros procede de la E.D.A.R. del mismo nombre en Madrid, y no tiene variación de caudal porque esta depuradora funciona a caudal constante. Las puntas de caudal son mucho más marcadas en poblaciones pequeñas. 10.7.3.- HABITANTE EQUIVALENTE Cuando la contaminación que circula por la red de alcantarillado procede de industrias o granjas, u otro tipo de origen diferente al doméstico o urbano, entonces las dotaciones de contaminación que se han definido anteriormente pueden resultar inaplicables. Para poder trabajar con unidades homogéneas a la hora de estimar cargas de contaminación se ha establecido el concepto de habitante-equivalente, h-e. La Directiva 91/271/CEE de 21 de mayo de 1991, sobre tratamiento de las aguas residuales urbanas, que se analizará en capítulos posteriores, define 1 e-h (equivalente habitante) como “la carga orgánica biodegradable con una demanda bioquímica de oxígeno de 5 días (DBO5) de 60 g de oxígeno por día”. Se trata de expresar la contaminación de una industria, una ciudad, una granja, etc., como si hubiera sido producida por población humana. Así, si una persona o habitante produce una contaminación en DBO5 de 60 g/d, una industria que vierte diariamente una determinada cantidad de DBO5, equivaldrá a un número concreto de habitantes, de "habitantes - equivalentes". Los kilos/día que vierte una determinada actividad se calculan multiplicando los caudales por las concentraciones. En este sentido hablaremos de habitantes-equivalentes que trata una determinada EDAR. En el caso de aguas residuales pecuarias, una vaca equivale a 10 h-e, o un cerdo equivale a 3 h-e, en ambos casos sobre la base de DBO5. Otra forma de expresar las cargas de contaminación que generan los animales es como gramos de contaminante por cabeza por día (g DBO5/cabeza/d). En la industria es normal hablar de carga de contaminante por unidad de producción o de carga por unidad de superficie (g/d/Ha). EJERCICIOS I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P23 INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL TEMA10-rev021109-ajb E10.1.- Un agua residual tiene las siguientes características: DBO5: 200 mg/L DQO: 300 mg/L N: 5 mg/L P: 0.8 mg/L ¿Cuál será la mínima DBO5 que se puede obtener después de un tratamiento biológico?. E10.2.- Analizar el posible origen y tipo de contaminación de las siguientes aguas: Agua A: Coliformes Totales: Clostridium sulfito-reductores: 5/100 mL 0/100 mL Agua B: COT: DBO5: DQO: 2.0 mg/L 3 mg/L 60 mg/L Agua C: DBO5: DQO STV: SSV: 2000 mg/L 3400 mg/L 4000 mg/L 400 mg/L Agua D: DBO5: DQO: COT: N: P: 300 mg/L 450 mg/L 250 mg/L 40 mg/L 10 mg/L Agua E: Coliformes Totales: Coliformes Fecales: Estreptococos Fecales: 10000/100 mL 4000/100 mL 20000/100 mL E10.3.- ¿Cuál de las siguientes aguas tiene más gérmenes patógenos?: Agua A: Coliformes Totales: 20/100 mL Agua B: Coliformes Fecales: 20/100 mL Agua C: Clostridium sulfito-reductores: 2/100 mL E10.4.- ¿Cuál de estas aguas residuales tendrá más materia orgánica?: Agua A: Coliformes Totales: 108/100 ml Agua B: Coliformes Totales: 106/100 ml E10.5.- ¿Cuáles son los principales contaminantes de origen agrícola? E10.6.- Un agua residual, cuyas características se dan a continuación, se filtra y el residuo retenido se incinera a 550 ºC. Definir las características del agua filtrada y de las cenizas (por unidad de volumen de agua). ST= 600 ppm STV= 400 ppm STF= 200 ppm T10/P24 SD= 200 ppm SDV= 150 ppm SDF= 50 ppm SS= 400 ppm SSV= 250 ppm SSF = 150 ppm SSs= 300 ppm SSsV= 200 ppm SSsF= 100 ppm I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome TEMA10-rev021109-ajb.doc INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL E10.7.- ¿Qué se puede decir de un agua residual cuya DBO5 es cinco veces superior a su DQO? ¿Y si es al revés?. E10.8.- ¿Qué es un habitante - equivalente? E10.9.- ¿Qué es la DBO5 y qué indica? E10.10.- Determinar razonadamente el origen de un agua residual de las siguientes características: DBO5: 200 mg/L DQO: 1500 mg/L N: 5 mg/L P: 10 mg/L E10.11.- Dada un agua, de la cual se adjunta un análisis: a) ¿Qué tipo de origen tiene el agua? b) Principales contaminantes de ese agua después de: - airearla durante 30 días manteniendo la temperatura a 20 ºC; - dejarla en reposo en un depósito durante un día; - infiltrarla a través de un terreno saturado; Análisis: DBO5 1500 mg/L DQO 10000 mg/L N 50 mg/L P 25 mg/L SS 300 mg/L SSs 180 mg/L SD 2000 mg/L SSV 160 mg/L SSsV 40 mg/L SDV 1040 mg/L E10.12.- ¿En qué se parecen los índices de contaminación: MO, DBO, DQO? E10.13.- Los Estreptococos Fecales son importantes porque (S/N): a) Indican contaminación bacteriológica de las aguas. b) Son gérmenes patógenos de origen fecal. c) Ayudan a diferenciar el origen humano o animal de la contaminación fecal de un agua. E10.14.- Para hacer una DBO es necesario (S/N): a) Más de un día. b) Un frigorífico. c) Botellas negras. d) Una soplante. e) Dicromato potásico. E10.15.- La DBO (Sí/No): a) Mide el oxígeno disuelto en el agua. b) Está relacionada con materia orgánica biodegradable. c) Es una medida indirecta de la materia orgánica oxidable. d) Representa el contenido de microorganismos de un agua. e) Es una medida indirecta de la materia orgánica oxidable bioquímicamente. E10.16.- Para determinar el contenido de sólidos de un agua residual puede ser necesario (Sí/No): a) Un horno. b) Un decantador dinámico. c) Un filtro con luz de malla 0.45-1.2 micras. d) Un cono Imhoff. I. Tejero/J. Suárez/A. Jácome T10/P25 TEMA10-rev021109-ajb INGENIERÍA SANITARIA Y AMBIENTAL E10.17.- ¿Qué es y/o para qué es?: a) DQO/DBO b) DBO/P c) Coliformes fecales. d) SSV/SS E10.18.- La relación límite de DBO/N/P para que sea viable el tratamiento biológico aerobio es de 100/5/1. Si un cierto vertido de aguas residuales tiene: DBO= 2000 mg/L N= 40 mg/L P= 25 mg/L ¿Que harías para que un proceso de tratamiento secundario de dichas aguas funcionara adecuadamente?. E10.19.- Calcular la DBO5 media de un ARU, de la que se sabe que procede de una urbanización de lujo de 500 habitantes que dispone de una red separativa. BIBLIOGRAFÍA A.R.M.A.; (1987) (Agencia Regional de Medio Ambiente); "Plan piloto de depuración de aguas residuales urbanas, aplicado a pequeños núcleos de población"; Excma. Diputación Regional de Cantabria; Cátedra de Ingeniería Sanitaria, E.T.S.I.C.C.P; Universidad de Cantabria, Santander. CAGIAO, J.; DÍAZ-FIERROS, F.; JÁCOME A.; PUERTAS J.; SUÁREZ J. (1998). The early stages in the CSO characterization in the city of Santiago de Compostela (Spain). UDM’98 - Developments in Urban Drainage Modelling, 21 - 24 de septiembre, Londres, UK. Edits.: D. Butler y C. Maksimóvic. IAWQ, IAHR, UNESCO. CEDEX; (1992); "Curso sobre tratamiento de aguas residuales y explotación de estaciones depuradoras"; Dos tomos; Gabinete de Formación y Documentación del CEDEX, MOPT, Madrid. RIGOLA; M.; (1989); "Tratamiento de aguas industriales. Aguas de proceso y residuales."; Editorial Marcombo; Colección Prodúctica; Barcelona; 157 págs.; ISBN 84-267-0740-8. DEGREMONT; (1979); "Manual técnico del agua"; 4º edición; 1216 págs.; ISBN 84-300-1651-1. HERNÁNDEZ, A.; (1993); "Abastecimiento y distribución de agua"; Colección Seinor (nº 6); Colegio de Ing. de Caminos, Canales y Puertos, Madrid; 3º edición; ISBN 84-380-0034-7. HOUSE, M.A.; ELLIS, M.A.; HERRICKS, E.E.; et al; (1993); "Urban drainage impacts on receiving water quality"; Wat. Sci. Tech., Vol. 27, Nº 12; pág. 117-158; Gran Bretaña; I.A.W.Q.; Pergamon Press. 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